智能手机性能过剩?可拍照方面都还不够用

2019-11-01 13:24:14         浏览量:4964

对于中国的大多数消费者来说,谷歌的像素系列模型可能并不熟悉,但对于所有手机制造商和大多数开发商来说,像素系列具有特殊的意义。这不仅是因为它看起来像谷歌的官方“女婿”,还因为它预装了最新版本的安卓系统,非常适合作为软件开发和调试的工具。也因为它相当于谷歌关于“安卓手机的正确形式”的声明,在硬件配置、建模风格、功能焦点等方面对所有安卓手机制造商都有一定的指导意义。

然而,正是因为谷歌像素系列在整个行业享有这种独特而“超越”的地位,在一定程度上,它甚至不需要看相关合作厂商的脸,而是可以根据谷歌的气质做一些反复无常的事情来“暴露”整个行业的缺点。

谷歌自主开发的照片芯片的回归反映了其对该行业的不满。

2019年10月15日,也就是几天后,谷歌将正式发布新一代像素4/像素4xl。但多亏了消息灵通的外国媒体,我们能够提前一瞥pixel 4的详细硬件配置,我们也能够更清楚地看到谷歌对当前旗舰安卓手机行业的看法和不满。

具体来说,像素4这次当然在基础平台上使用了目前最主流的高通小龙855 master,并在电源管理、音频、射频等芯片关键部分基本延续了高通的公开版本方案。-显然,这些都有利于开发人员进行软件改编。但与此同时,谷歌也在pixel 4系列中添加了三个独特的功能芯片,这与市场上的任何其他方案都不同。正是它们的外观揭示了谷歌对当前智能手机设计的“不”方法。

这三个芯片都是soli雷达芯片,可以在不借助前置摄像头的情况下实现远距离手势操作。他们可以提供服务器级的安全加密功能,谷歌自己开发的泰坦m加密芯片,最重要的是“像素神经核心”神经网络图像处理器,它也是从谷歌自己的技术中衍生出来的。据说最后一个芯片集成了图像优化和图像识别功能。它不仅可以使用ai算法使像素4的“计算摄影”(computational photography)具有更好的图像质量,增强高放大倍率变焦、暗光摄影等场景的清晰度性能,还可以快速识别主体,加快实时平移和ai对象识别功能。

先前的像素视觉核心有一个相当复杂的架构。

熟悉谷歌像素系列的朋友看到“像素神经核心”时可能会觉得有点熟悉。是的,它实际上是像素2和像素3系列的“像素视觉核心”的延续。这也意味着这是使用谷歌自主开发的图像处理芯片的第三代像素系列产品。然后问题出现了,为什么谷歌必须连续几年在手机上插入自己开发的人工智能成像芯片,而不是使用soc提供的本地解决方案?

即使是旗舰手机也不足以拍照。

事实上,两位行业领袖已经从不同的角度回答了这个问题。首先,众所周知的小米品牌创始人雷军(Lei Jun)曾在2017年第四届世界互联网大会上称赞谷歌像素2,称只用一台相机就能达到完美的照片模糊效果,这依赖于先进的人工智能算法。像素2是谷歌首次尝试“插入”其人工智能视频芯片的手机。这说明谷歌需要插入芯片的原因是其自主开发的摄像头算法严重依赖人工智能处理,而深度优化的自主开发人工智能处理器可以明显实现更高的人工智能计算效率,这有利于谷歌将更多私有算法插入手机。

为什么一个人自己的芯片能更有效地执行自己的代码,这似乎已经足够了。但事实上,这只能解释谷歌一半的动机。至于另一半,直到不久前的2019年,著名光学巨头蔡司的前首席执行官迈克尔·卡斯克尔(Michael Kaschkel)才透露出来。在公开场合,这位为蔡司服务了20年的老兵明确指出,即使是当今最旗舰的智能手机大师,实际上也无法处理由广受欢迎的4000万像素或更高像素cmos产生的图像数据。换句话说,智能手机的性能远没有人们想象的那么高。至少就拍照所需的计算性能而言,即使旗舰大师的性能实际上也严重不足。

顶级手机处理器的计算能力还不足以拍照吗?要证明这一点其实非常简单:如果你手边有4000万或更多像素的手机,你只需要打开相机应用程序,就可以发现手机的所有这些超高像素毫无例外地使“所有像素(即4000万、4800万或6400万)进入独立的拍摄模式。只要这些所谓的“超清晰模式”被打开,相机的其他功能如变焦、hdr(多帧合成)、夜视、滤波等。将变得不可用。这实际上是手机处理性能此时跟不上的直接表现。

有了超高像素,为什么相机和手机如此不同?

一些朋友可能会说,尽管智能手机现在像素普遍较高,但与单反和单反相比,它们并没有太大的差距。你认为有很多4000万像素的单反和1亿像素的富士gfx100吗?你为什么没听说过相机的处理器跟不上像素数量的现象,而手机也有这个问题?

为了理解这一点,我们仍然必须从智能手机和传统数码相机在硬件条件和成像方法上的差异开始。我们都应该知道,尽管当今智能手机cmos传感器的像素总数高达6400万甚至1亿,但在实际图像清晰度、cmos感光能力、图像容差等方面,售价1万元的智能手机和售价1万元的单反/微单反相机之间仍然存在巨大差距。这个间隙一方面是由于两个器件的透镜光学质量差,另一方面也与智能手机cmos的面积密切相关,后者只有绿豆大小。

智能手机上最大的1/1.7“外底”只是相机行业的低端产品。

毕竟,不管是什么样的相机,“底层一流杀手”都是符合物理定律的绝对真理。在具有相同面积的传感器上,像素总数越高,单个像素的光输入越少。这意味着对于智能手机的cmos而言,如果不采用特殊设计,图像质量差和噪声大是不可避免的结果。因此,默认情况下,今天的智能手机一般采用一系列措施,包括多帧降噪、ai智能像素填充、多镜头同步照明等。对图像质量进行多重增强,使“小绿豆”也能拍出印象良好的大电影。

摄像机甚至可以配备多个主机,以实现多通道操作。手机呢?

结果,移动电话和照相机之间的差异出现在成像过程中。手机必须通过高速多连拍和自动合成处理实现强降噪和图像质量提高。然而,由于其像素尺寸大,相机在没有多帧合成的情况下具有良好的原始噪声抑制效果。因此,在相同像素的前提下,智能手机的isp显然比相机的isp面临更大的压力。然而,众所周知,isp(图像信号处理器)在智能手机芯片中只占很小的面积,而cpu和gpu才是真正的大头。另一方面,相机的主要控制正好相反。用于驱动摄像机系统本身的处理器不需要非常高的性能。芯片中更大的面积和更多的内核可以纯粹用于处理摄影的计算量。

因此,我们不难理解为什么从未听说过相机处理器性能不足,但旗舰soc“不能移动”超清晰相机的现象在手机中非常普遍。

“四合一”只是一个权宜之计,直到性能再次爆发。

面对这种情况,智能手机行业肯定不会袖手旁观。当然,理论上最彻底的解决方案是将处理单元直接插入像谷歌这样的手机,并运行自己的高效代码,但对于大多数手机品牌来说,它们实际上有一个更简单的解决方案。

是的,这是你可能听过很多次的“四像素一体”传感器设计。以4000万像素cmos为例,它实际上大部分时间都开启“一个四像素”模式,以1000万像素的方式工作。这样,首先,等效像素面积可以扩大到制造商宣传的原始面积的四倍,从而在一定程度上增强感光能力;第二,它可以有效地减轻isp的计算负担,从而使需要依赖连续拍摄合成的图像质量改善技术如多帧降噪和hdr成为可能。

此外,对于一些较新的超高像素cmos,它们还可以实现半像素长曝光和半像素短曝光的特殊工作模式,并且一次就可以直接对cmos进行hdr成像。此时,isp接收到的图像信息量将是“一个四像素”模式下的两倍,但仍比全像素模式下的少得多。计算压力小得多,并且还避免了连续拍摄合成期间的抖动效应。可以说它可以用于许多目的。

诺基亚的4100万cmos不是四像素集成架构,但实际工作模式是一样的,这可以说是同类产品中的第一款。

当然,目光敏锐的朋友可能已经发现,这种“四像素合一”cmos工作模式通过降低图像分辨率,从根本上避免了智能手机isp性能的短板,并且不能被视为问题的根本解决方案。但不知何故,至少在市场层面,它将智能手机(名义上)带入了超高像素时代,为另一项技术进步铺平了道路。

至于全像素多帧合成,只有在诸如移动电话主控制和半导体制造工艺等技术在一段时间内得到进一步改进而不增加额外的处理器单元之后,超高像素可以每天“充分利用”的时代才可能实现。

[本文中的图片来自互联网]

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